NVIDIA GTX970 — теория ущербности

В прошлой статье из цикла PC Buyer’s Guide о выборе видеокарты я получил множество интересных комментариев как в личных сообщениях, так и на почту, в скайп… где только можно. Кто-то указывал на неточности, некоторые просили помочь с выбором устройства под их конфиг. В общем, видимо, по видеокартам придётся пройтись глубже, раз тема так волнует.

Сегодня доступно поговорим о последних архитектурах карточек NVIDIA и постараемся понять, над чем смеялся усатый хохотун в этом видео:

Краткий экскурс в историю

Эпоха «современных» видеокарт начинается с трёх важных изменений в архитектуре ПК.

Во-первых, устаревшую шину AGP, по которой подключалась видеокарта долгое время, сменила PCI Express X16 первого поколения.

Во-вторых, Microsoft выпустила Windows Vista с поддержкой новых API DirectX версии 10.0, которые включали в себя важную штуку: Direct3D 10, одной из фич которого являлся доступ для видеокарты к обычной оперативной памяти ПК нативными средствами.

В-третьих, производители видеоадаптеров отошли от концепции раздельных вершинных и пиксельных шейдерных¹ процессоров и разработали универсальный вариант, который умел обрабатывать и те и другие. Эти изменения, вкупе с ростом аппаратных возможностей производителей железа создали условия для взрывного роста и развития графических ускорителей.

1 — Ше́йдер (англ. Shader; схема затемнения, программа построения теней) — это программа для одной из ступеней графического конвейера, используемая в трёхмерной графике для определения окончательных параметров объекта или изображения. Она может включать в себя описание поглощения и рассеяния света произвольной сложности, наложения текстуры, отражение и преломление, затемнение, смещение поверхности и эффекты пост-обработки. Википедия.

Переход от AGP к PCI-e произошёл чуть раньше, чем два следующих за ним нововведения, поэтому оценить «чистый» прирост достаточно сложно — межу эпохами «старых» и «новых» видокарт лежит поколение ускорителей, сочетающих новый интерфейс (PCI-e) и «старый» подход к организации GPU: раздельные шейдерные процессоры и отсутствие поддержики D3D 10. Тем не менее, новые возможности позволили железкам «современного» поколения на высоких разрешениях просто уничтожать результаты железа прошлого поколения, имеющего только PCI-e в качестве бонуса:

На графике наглядно видно превосходство 8800GTX над двумя флагманами прошлого поколения, трудящимися совместно (в режиме SLI).

С этого момента подходы ATI (которая в последствии будет куплена AMD) и NVIDIA в видеокартостроении несколько расходятся. О том пути, который выбрали красно-белые поговорим как-нибудь в другой раз, а сегодня речь пойдёт об актуальных архитектурах чёрно-зелёных и разных интересностях внутри их продуктовых линеек.

NVIDIA со времён 8800 по наши дни

Возможности новых ускорителей на фоне их предков вы уже видели на графике чуть выше. С того момента прошло уже почти десять лет, компания NVIDIA успела сменить несколько архитектур:

G80 — дебютировала на видеокартах 8000-й серии, принесла поддержку DirectX 10, OpenCL и Shader Model 4.0, плюс добавила одну интересную особенность — программирование общего назначения на видеоускорителях (GPGPU), реализованную через фирменные API NVIDIA CUDA.

G90 — усовершенствованная архитектура, применялась в 9000-й серии. Ничего ключевого не принесла, а была закономерным развитием G80 — тоньше техпроцесс, холоднее чип, выше частоты, больше шейдерных процессоров.

G200 — это поколение принесло в производственные процессы NVIDIA важную особенность, которая и сыграла одну из ключевых ролей в «особенностях» работы GTX970.

Разумеется, были улучшения и общего характера, но главное — вот что: если раньше каждый из видеочипов создавался под конкретную модель, то в поколении видеокарт GeForce 200 модели 280 и 260 производятся на одном и том же чипе.

После производства все чипы GPU проходят тест на полное соответствие спецификации GTX280, и, если проблем никаких нет, используются в флагманских вдиеокартах. Те же, что не прошли проверку сбрасываются со скалы повторно проверяются уже на соответствие требуемым характеристикам для установки в видеокарты GTX260, которая подразумевает наличие меньшего количества потоковых процессоров и более узкую шину памяти.

GF100 (Fermi) — ещё одно поколение, сильно изменившее общий уровень производительности видеоускорителей NVIDIA. Ключевые изменения: работа по схеме Multiple Instructions Multiple Data, поддержка ECC, переход на 64-разрядные регистры видеопамяти, поддержка технологий DirectCompute, OpenCL, позволяющих проводить вычисления на GPU (аналоги NVIDIA CUDA, способные работать на любом GPU, поддерживающим соответствующий набор инструкций).

Именно в этом поколении появились «чёткие средняки» — видеокарты серий GTX 460 и GTX 560, обеспечивающие достаточно высокую производительность по очень и очень интересной цене для конечного покупателя. Они были не так интересны энтузиастам и фанатам самого крутого и передового железа, но, неосмненно, стали одними из самых массовых и популярных видеоускорителей своего времени: производительности хватало, чтобы играть во что угодно на «высоких» (но не «максимальных») настройках графики с разрешением 1920х1080, они не были требовательны к блоку питания и процессору ПК (о влиянии CPU на работу видеокарты — как-нибудь в другой раз), а главное — стоили в районе $200.

GK100 (Kepler) — Ничем примечательным не отличался, но именно в этом поколении началась работа по улучшению энергоэффективности видеоускорителей NVIDIA. Технически, это был всё тот же Fermi, но переведённый на новый техпроцесс и использующий новые транзисторы с низкими токами утечки и высокой скоростью переключения. Снижение энергопотребления привело к уменьшению нагрева, а это означает, что в рамках того же теплопакета производитель мог поднять тактовые частоты, тем самым увеличив производительность видеокарты. Собственно, это и произошло: новые GPU были быстрее и холоднее. Разумеется, кое-что изменилось и на более глубоком уровне, и но к ключевым отличиям это не относится.

Применялся в видеокартах 600-й и 700-й серии, на момент написания статьи является «королём» потребительской графики для энтузиастов: видеокарты GTX 780Ti с заводским разгоном и продвинутой системой охлаждения, пока что, быстрее, чем флагманы 900-й серии (GTX 980Ti просто ещё не существует, а обычная GTX980 несколько медленнее по разным причинам).

GM100 / GM200 (Maxwell) — текущее поколение видеочипов NVIDIA, отличается ещё более глубокой работой над энергоэффективностью, чем GK100. Модульная архитектура GPU, собственный ARM-сопроцессор, улучшения техпроцесса — вот неполный список ключевых особенностей новой архитектуре. По ней вообще можно целый трактат написать, но мы остановимся на самом важном.

GM100 и GM200 Maxwell

Чипы Maxwell существуют аж в двух поколениях. Так как ключевая ставка в новых GPU была сделана на энергоэффективность, первое из них — чипы GM107 и GM108 — как тест самой архитектуры — достались бюджетным карточкам GTX745, 750/750 ti и мобильным решениями GTX 830, 840, 850 и 860M.

Ключевые изменения, относящиеся к трёхмерной графике:

• Увеличение суммарного объёма кэш-памяти второго уровня с 256 КБ до 2 МБ (в флагманских моделях), позволило уменьшить ширину шины памяти и не страдать от «бутылочного горлышка» между памятью и процессором видеокарты;
• Уменьшение шины памяти с 192 бит до 128 бит — следствие из предыдущего изменения — позволило упростить архитектуру, разводку платы и уменьшить количество потребляемой энергии;
• Новый дизайн потоковых процессоров, названный SMM. Вдаваться с технические подробности изменений мы не будем, но суть изменения вот в чём: новая архитектура позволила экономнее расходовать вычислительные ресурсы и лучше распределять нагрузку между процессорными ядрами. По заявлениям NVIDIA, только заменой «устаревшей» архитектуры SMX на SMM удалось достичь 35% прироста производительности по сравнению с архитектурой Kepler.

Второе поколение чипов Maxwell (GM20x) относилось к десктопному сегменту. Именно на этой архитектуре разработан текущий флагман GTX 980 и ставшая известной GTX 970 с 3.5 гигабайтами памяти.

Особенности SMM и архитектура GM200

Помните, я говорил, что с архитектуры G200 пошла практика «обрезания» неудачных чипов флагманского уровня до «нефлагманских»? Вот отсюда и идут особенности чипа, использующегося в видеокартах GTX 980 и GTX 970.

В соответствии с архитектурой Maxwell, шина памяти (и сама память) у чипа GM204 не общая, а разделена между блоками на несколько (в данном случае — 16) сегментов. Суммарная пропускная способность памяти — 256 бит за такт на частоте 7000 МГц. Суммарное количество кеш-памяти — 2048 МБ. Всё это дело общается через общую шину CROSSBAR:

У видеочипов, которые используются в GTX 970 отключено часть вычислительных блоков (3 светло-серых квадрата в верхней части картинки), которые содержат в себе унифицированные шейдерные процессоры (NVIDIA называет их «ядра CUDA», но технически — это просто шейдерные процессоры) и блоки выборки текстур; кроме того, как вы видите на иллюстрации, отключен один из блоков L2-кеш памяти.

Но и это ещё не всё. Обратите внимание, что между контроллерами памяти (MC) в первых трёх крупных блоках нет никакой связи, а в четвёртом — «ущербном» — связь имеется. На картинке не изображены так называемые ROP’ы — блоки растеризации, отвечающие за превращение всей той магии, что видеокарта вам насчитала в простой двухмерный кадр для вывода на монитор. Их у GTX 970 тоже меньше, чем у «полноценной» GTX 980.

Вот полная таблица с характеристиками «оригинального» чипа GM204, используемого в GTX 980 и «урезанного» — из GTX 970:

2 — Для первых 3.5 ГБ видеопамяти;
3 — Теоретическая, на практике — меньше.

В принципе, ни к какому из этих «сокращений» по отдельности претензий не возникает: вы платите меньше, получаете менее производительное решение, производитель экономит на «отбракованных» чипах, превращая их в пригодные к эксплуатации. Все в выигрыше, если бы не одно «но».

У GTX 970 заявлено 4 ГБ видеопамяти, но реальные тесты показывают, что получить полноценный и высокоскоростной доступ можно только к «первым» 3.5 ГБ, оставшиеся 512 МБ памяти подключены через «урезанный» блок.

Доступ к «основной» памяти осуществляется через полноценные блоки: их контроллеры памяти имеют доступ к своим банкам видеопамяти, своему кусочку L2-кеша и когда видеокарте требуется очередная порция данных, драйвер обращается к контроллеру памяти – тот достаёт необходимую информацию из связанных с ним банков и перекладывает в высокоскоростной кеш, к которому могут обращаться вычислительные блоки.

Если же игра или программа использует больше 3.5 ГБ видеопамяти, часть данных упадёт в «проклятый» сегмент, который не имеет своего кеша и может общаться с вычислительными модулями исключительно через кеш-память своего соседа. Реальная пропускная способность распределяется следующим образом:

4 — Теоретический максимум, зависит от скорости оперативной памяти, занятого объёма, других задач, получающих доступ к данным в данный момент.

Таким образом, не смотря на «ущербность» оставшейся памяти, она всё ещё остаётся быстрее, чем доступ к «оперативке». Модульная архитектура Maxwell позволила выключить только маленький кусочек GPU, не сильно влияющий на производительность системы в целом. Если бы использовалась архитектура прошлого поколения (Kepler), ущерб от «деффективности» был бы намного выше: скорее всего, производителям пришлось бы выключить целый блок контроллера памяти, и без полноскоростного доступа остались бы не 512, а 1024 МБ, либо видеокарта вовсе вышла бы в 3ГБ-версии и серьёзно проигрывала как конкурентам, так и флагманской GTX 980.

GTX 970 — 4 ГБ или 3.5?

Технически, ни маркетологи, ни инженеры нам не соврали: у видеокарты действительно 4 ГБ памяти, использовать она может все 4 гигабайта, пусть и с некоторыми ограничениями. Конечно, более «щедрой» и «не обманывающей пользователей» компания выглядела бы, если бы завялала 3.5 ГБ видеопамяти, а на деле ставила 4, пусть и не самых полноценных, но что имеем, то имеем.

На что влияют «медленные» 512 МБ памяти?

Современные игрушки, конечно, разжирели, но такой большой объём памяти (>3.5 ГБ) требуется только в том случае, если вы планируете играть на мониторе с разрешением 2560х1440 или 3820х2160 точек. Пока что таких экранов в проценте от общей массы не очень много, а если говорить про 4к2к, то они дороги, не всегда отличаются хорошими характеристиками и в целом только начинают завоёвывать рынок.

Что касается игровых движков, то пару лет назад производители особо не заморачивались даже на тему 2560х1440 и оптимизирвоали все движки под работу с разрешением 1920х1080 и 1920х1200 точек, оставляя любителей высоких разрешений с просадками FPS, микрофризами или просто без нормального user expirience’а. Что уж говорить про бедных пользователей ноутбуков с Retina-дисплеями и куда менее мощными мобильными видеокартами.

На этом с теорией мы закончим, а всю практику отложим до понедельника: посмотрим, как влияет разрешение на потребляемую память, с чем это связано, как справляется GTX 970 и чем ещё хороша новая архитектура Maxwell.

Хороших вам выходных!

Обзоры:
» Подключаем оригинальные геймпады к ПК
» Razer Abyssus: самый доступный Razer
» Nikon 1 S2: однокнопочная беззеркалка
» Обзор Lenovo Miix 3-1030
» Разбираемся в арт-хаосе компании Wacom
» ASUS ZenFone 5, LG L90, HTC Desire 601 — двухсимочная война за потребителя, часть 1
» ASUS Transformer Pad
» Гарнитуры Razer Kraken

Цикл PC Buyer’s Guide:
» PC Buyer's guide: выбор видеокарты
» PC Buyer's Guide: выбор блока питания
» PC Buyer's Guide: охлаждение
» PC Buyer's Guide 2015: Материнские платы, чипсеты и сокеты
» Кручу-верчу, запутать хочу. Разбираемся в линейках HDD

Автор: Shirixae

Источник